摘 要：多沙河流水利樞紐的常規(guī)模型經(jīng)常無法正確模擬實(shí)際工程運(yùn)行情況，導(dǎo)致擬建工程建成運(yùn)行后出現(xiàn)這樣或那樣的問題。為提高多沙河流水利樞紐動(dòng)床模型試驗(yàn)水平，優(yōu)化水庫泥沙模型設(shè)計(jì)方法，以某多沙河流水庫為原型，針對(duì)動(dòng)床模型試驗(yàn)首要的模型沙選擇，確定化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、容重適中的擬焦沙作為模型沙，通過分析懸移質(zhì)和推移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)相似條件，依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果以及精度較高的沉速和水流挾沙力等計(jì)算公式，確定在多沙河流水庫模型中滿足水流運(yùn)動(dòng)、泥沙運(yùn)動(dòng)以及異重流運(yùn)動(dòng)相似條件對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)比尺，為模型制作后完成驗(yàn)證和正式工程方案試驗(yàn)打下良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：水庫泥沙模型；模型沙；異重流運(yùn)動(dòng)；多沙河流；水利樞紐

中圖分類號(hào)：ＴＶ３１４ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２５．０３．００６

引用格式：褚麗，楊張輝，劉松華，等．多沙河流水利樞紐動(dòng)床模型設(shè)計(jì)研究［Ｊ］．人民黃河，２０２５，４７（３）：３７－４１．

０ 引言

多沙河流水利樞紐設(shè)計(jì)非常困難，許多重要的環(huán)節(jié)僅依靠規(guī)范很難完成，設(shè)計(jì)單位不得不委托相關(guān)單位開展模型試驗(yàn)，設(shè)計(jì)人員與試驗(yàn)人員一起攻克關(guān)鍵技術(shù)難題。我國最早的水庫泥沙模型試驗(yàn)是２０ 世紀(jì)５０ 年代在列寧格勒大學(xué)開展的黃河三門峽水庫淤積及排沙模型試驗(yàn)［１］ ，１９５８—１９６０ 年我國水利科研單位集中李保如、沙玉清、錢寧等著名專家和大量技術(shù)人員，先后開展了三門峽水庫建成后下游花園口至東壩頭河段露天大模型預(yù)測試驗(yàn)、三門峽水庫和渭河野外大模型試驗(yàn)，受當(dāng)時(shí)模型相似律研究水平較低的限制，除露天大模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)當(dāng)時(shí)的游蕩型河段治理具有指導(dǎo)或參考意義外，其他模型還不能達(dá)到定性相似，無法提交試驗(yàn)成果報(bào)告，更沒能預(yù)測出庫區(qū)泥沙嚴(yán)重淤積乃至不斷向上游發(fā)展的“翹尾部”現(xiàn)象，導(dǎo)致三門峽水利樞紐工程出現(xiàn)嚴(yán)重問題［１－２］ 。由于模型試驗(yàn)的失敗，因此至今對(duì)此缺乏正式的評(píng)價(jià)，只有文獻(xiàn)［１］認(rèn)為“對(duì)于模型試驗(yàn)的探索還是積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，在我國河流模型發(fā)展史上有重要的位置”。受各方面的影響，多沙河流水庫模型的相似理論和試驗(yàn)方法長期沒有明顯提高，即使到小浪底水庫設(shè)計(jì)之時(shí)，國內(nèi)也難以進(jìn)行多沙河流的水庫模型試驗(yàn)，只能開展難以滿足嚴(yán)格相似條件的壩區(qū)模型試驗(yàn)，以至于在黃河水利科學(xué)研究院、中國水利水電科學(xué)研究院利用電廠粉煤灰分別完成小浪底壩區(qū)模型試驗(yàn)之后，黃河水利委員會(huì)又投入巨資在南京水利科學(xué)研究院利用電木粉重新制作壩區(qū)模型開展試驗(yàn)，即使如此，其壩前沖淤形態(tài)與工程修建運(yùn)行后的狀況仍然存在較大差距。

以往設(shè)計(jì)單位只關(guān)注試驗(yàn)結(jié)果而不關(guān)注模型設(shè)計(jì)方法，導(dǎo)致水利樞紐建成運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)這樣或那樣的問題［１］ 。為提升多沙河流水利樞紐動(dòng)床模型試驗(yàn)水平，本文以某水庫泥沙模型設(shè)計(jì)為例，通過模型相似條件分析、模型沙選擇、比尺計(jì)算等環(huán)節(jié)，讓讀者了解到多沙河流水利樞紐動(dòng)床模型的設(shè)計(jì)方法。

１ 工程概況

擬建工程主要由攔河壩、溢洪道、泄洪排沙洞和放水洞等建筑物組成。溢洪道布置于河道右岸、泄洪排沙洞和放水洞布置于河道左岸。攔河壩為土質(zhì)心墻分區(qū)壩，設(shè)計(jì)最大壩高５７． ９ ｍ， 壩頂全長５８６ ｍ、寬７．０ ｍ，壩體采用土質(zhì)心墻防滲；溢洪道緊鄰攔河壩右壩頭布置，控制段采用ＷＥＳ 實(shí)用堰，共２ 孔，單孔凈寬７．５ ｍ，堰頂設(shè)弧形工作閘門，在工作閘門上游設(shè)平板檢修閘門，出口采用底流消能；泄洪排沙洞布置于攔河壩左岸山體內(nèi)，進(jìn)水塔為岸塔式，塔室內(nèi)設(shè)弧形工作閘門和平面事故檢修閘門，洞身采用５．０ ｍ×６．０ ｍ 的城門洞形無壓斷面，出口采用底流消能；放水洞亦布置于攔河壩左岸山體內(nèi)，位于泄洪排沙洞右側(cè)，進(jìn)水塔為岸塔式，洞身斷面為尺寸１．５ ｍ×１．８ ｍ 的城門洞形。

擬建水庫正常蓄水位為９９６．５０ ｍ，汛限水位為９９５．５０ ｍ，水庫調(diào)洪演算起調(diào)水位為汛限水位９９５．５０ ｍ，１００ ａ 一遇以下洪水不同方案按流量２４０ ｍ３ ／ ｓ 控泄，超１００ ａ 一遇洪水采用所有設(shè)施泄洪。

２ 試驗(yàn)?zāi)康?、試?yàn)內(nèi)容及技術(shù)路線

２．１ 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

擬建水利樞紐工程是以防洪為主，兼顧城市供水和農(nóng)業(yè)灌溉的大（２）型水庫，庫容６ ４０６ 萬ｍ３。其泄水建筑物溢洪道、泄洪排沙洞等為２ 級(jí)建筑物，應(yīng)根據(jù)水工模型試驗(yàn)論證工程布置及水力設(shè)計(jì)的合理性，驗(yàn)證主要泄水建筑物進(jìn)水口流態(tài)、過流能力、泄槽流態(tài)、消能防沖設(shè)施合理性、下游沖刷、壩后回水沖刷、泄洪排沙洞排沙效果等，在必要時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，完善泄水建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

２．２ 試驗(yàn)內(nèi)容

設(shè)計(jì)單位要求的試驗(yàn)內(nèi)容包括觀測溢洪道和泄洪排沙洞不同水位和不同泄流量情況下的過流能力、消能效果、泄槽底板的脈動(dòng)壓力和離心力、尾渠水流流態(tài)、消力池下游和壩后沖刷、泄洪排沙洞的排沙效果等。１）進(jìn)行閘門全開時(shí)溢洪道、泄洪排沙洞的泄流能力試驗(yàn)，驗(yàn)證不同庫水位、不同閘門開度情況下對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)及下泄流量。２）設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位情況下，自溢洪道、泄洪排沙洞進(jìn)口至主槽的水面曲線。３）設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位情況下，驗(yàn)證溢洪道、泄洪排沙洞底流消能效果。４）驗(yàn)證泄槽底板的穩(wěn)定性，觀測溢洪道泄洪時(shí)泄槽底板的脈動(dòng)壓力和離心力。５）驗(yàn)證溢洪道、泄洪排沙洞下游防沖設(shè)施布置和結(jié)構(gòu)是否合理，給出海漫末端、壩后回水的沖坑深度和范圍，驗(yàn)證防沖范圍和深度。６）驗(yàn)證溢洪道、泄洪排沙洞尾渠的防護(hù)形式，給出尾渠的水面線和流速，提出防護(hù)措施。７）觀測溢洪道、泄洪排沙洞尾渠出口至主槽的水面線和流速，觀測壩后河床的沖刷程度。８）驗(yàn)證泄洪排沙洞尾渠的排沙效果，提出水庫排沙比及提高排沙比的措施。

２．３ 研究的技術(shù)路線

根據(jù)初步掌握的原型泥沙資料，擬建水利樞紐工程所在河流的年均含沙量超過５０ ｋｇ／ ｍ３，比黃河年均含沙量還大很多，這樣的中小河流在西北乃至華北某些地區(qū)都較多存在，有關(guān)泥沙方面的工程設(shè)計(jì)難度遠(yuǎn)大于大江大河的水利樞紐，何況泄洪排沙時(shí)下泄水流無疑是高含沙量水流［３］ 。對(duì)于本項(xiàng)目，技術(shù)難度較大的是上述試驗(yàn)內(nèi)容中的第８ 條，亦即通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證泄洪排沙洞尾渠的排沙效果，提出水庫排沙比及提高排沙比的措施。由于渾水條件下的泄流能力、摩阻特性、消能效果、流變特性、流速及壓力分布等方面的表現(xiàn)與清水區(qū)別較大［４－５］ ，因此第８ 條對(duì)試驗(yàn)內(nèi)容中的第１～７ 條都有不可忽視的影響。

為此，本項(xiàng)目根據(jù)擬建水庫入庫的水沙特性和河道初始地形資料，經(jīng)過比選確定合適的幾何比尺，制作水利樞紐壩區(qū)模型，確保水流的進(jìn)口條件以及泥沙淤積后水流流態(tài)變化、灘槽形態(tài)演變同原型相似，在不同特征洪水條件下，開展樞紐泄水建筑物的水力特性、樞紐下游消能防沖效果以及泄洪排沙洞的排沙效果等研究內(nèi)容的觀測試驗(yàn)，給出洞前的沖刷漏斗形態(tài)，論證工程布置及水力設(shè)計(jì)的合理性，為水庫工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

３ 模型設(shè)計(jì)過程

３．１ 模型設(shè)計(jì)依據(jù)

根據(jù)模型的試驗(yàn)任務(wù)，為滿足水流運(yùn)動(dòng)模擬試驗(yàn)要求，擬建水利樞紐庫區(qū)模型應(yīng)該設(shè)計(jì)為正態(tài)［６］ ，按照水流重力相似準(zhǔn)則、阻力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，并滿足模型與原型水流流態(tài)相似的限制條件［７］ 。通過已有的物理模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，排沙洞排出的含沙水流大部分情況下不是賓漢流體［５］ ，輸沙問題十分復(fù)雜，不僅出現(xiàn)高含沙洪水與一般挾沙水流的輸沙，而且還有一定規(guī)模的推移質(zhì)輸沙（尤其在沖刷漏斗附近存在推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)），為滿足泥沙沖淤相似條件和泄洪排沙洞內(nèi)高含沙水流運(yùn)動(dòng)相似條件，需進(jìn)一步依據(jù)修訂的《河工模型試驗(yàn)規(guī)程》［７］ 和《黃河高含沙洪水模型的相似律》［５］ 以及相關(guān)研究［８］ ，確定模型需要遵循的相似條件。此外，對(duì)于多沙河流水利樞紐尤其是庫區(qū)模型，還必須滿足異重流運(yùn)動(dòng)相似條件［９］ ，亦即